2016 Fiscal Year Research-status Report
計算機シミュレーションによる繊維配向制御に基づく複合材料構造生産・設計の高度化
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16K06885
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
西川 雅章 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60512085)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
北條 正樹 京都大学, 工学研究科, 教授 (70252492)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 複合材料 / 計算機シミュレーション / 繊維配向制御 / 賦形プロセス / 破壊解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
炭素繊維複合材料（CFRP）は，大型で複雑形状の構造を一体成形できるという特徴を有しており，従来の材料特性と構造形状の設計のみならず，製造プロセスと設計の最適化が求められている．本研究では，複合材料構造製造時の賦形プロセスに依存して変化する繊維配向の予測法と，製作された局所繊維配向に対して強度予測を行う手法を確立し，繊維配向の最適化による構造強度向上への寄与を目的に研究を遂行し，以下の成果を得た．
1. CFRP構造の液相成形法における織物基材の賦形プロセスでは，賦形形状と織物基材の特性に応じて繊維束の移動が生じ，目ずれや最終的な繊維配向に影響する．そこでまず，曲げ試験（FAST法・KES法），面内せん断試験（Bias-extension試験），繊維束引き抜き試験を実施し，基礎的な材料特性と繊維束移動（平行移動と回転移動）に対する抵抗を評価した．繊維束太さや織構造の異なる４種の炭素繊維織物に対して実験を行い，織物の構成因子と上記特性の関係について一定の知見を得た．
2. 賦形プロセスを模擬した半球圧子押し込み試験において，繊維方向に生じる目ずれの量は，繊維束の繊維方向への移動特性に強い相関がみられた．半球圧子による賦形における繊維束の理論形状を導出して比較したところ，実験結果は繊維束の移動（目ずれ）の影響を受けて変化していることが分かった．
3. 熱可塑性複合材料を対象とした構造賦形プロセスを模擬したモデルにより，非定常熱伝導解析と材料の温度依存特性の連成解析モデルを構築し，繊維流動の評価に重要な温度分布と応力分布の状況を解析するモデルを得た．
4. 局所繊維配向を考慮した複合材料の破壊解析法としてperidynamics解析法について検討し，負荷軽減を目的とした曲線配置を有する複合材料における破壊経路の予測を行うことが可能となった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
複合材料構造製造時の賦形プロセスにおける繊維配向の予測法を構築するため，織物基材の基礎的な材料特性の評価と，賦形時の目ずれ，繊維配向変化についての評価に実験的に取り組んだ．実験結果で得られた傾向に基づいて，今後，繊維配向の予測法を検討していくため，動的有限要素解析による賦形解析モデルの構築を開始しており，実験と解析を比較した検討に発展させる．また，局所繊維配向を有する複合材料の強度解析手法として，peridynamics解析法による損傷発生と破壊経路の予測法について，計算モデルの構築を進めている．以上のことから，概ね順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
賦形プロセスにおける繊維配向変化のメカニズムについて，動的有限要素解析を用いた賦形解析モデルによる検討をさらに進める．また，プリプレグ基材による賦形プロセスにおいては，液相成形に用いる織物基材の場合とは異なり，繊維束単位の変形ではないことから，状況が異なる．そこで，プリプレグを対象とした賦形プロセスにおけるメカニズムの解明にも着手することを検討する．室温より高温の条件での賦形試験の実施を検討するとともに，その解析法の構築を進める．一方，局所繊維配向を考慮した解析法についてさらに改良を進め，破壊経路や強度特性といった結果に対する解析精度の検証を進める．
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